Третій закон термодинаміки: визначення, рівняння та приклади

Закони термодинаміки допомагають вченим зрозуміти термодинамічні системи. Третій закон визначає абсолютний нуль і допомагає пояснити, що ентропія або розлад Всесвіту рухається до постійного, ненульового значення.

Ентропія часто описується словами як міра величини розладу в системі. Вперше це визначення було запропоноване Людвігом Больцманом у 1877 році. Він визначив ентропію математично так:

У цьому рівнянніY- кількість мікродержав у системі (або кількість способів замовлення системи),k- постійна Больцмана (яка визначається діленням ідеальної газової константи на константу Авогадро: 1,380649 × 10⁻²³ J / K) таln- природний логарифм (логарифм до основиe​).

Дві великі ідеї, продемонстровані за допомогою цієї формули:

1. Ентропію можна розглядати з точки зору тепла, зокрема як кількості теплової енергії в закритій системі, яка недоступна для корисної роботи.
2. Чим більше мікродержав або способів упорядкування системи, тим більше ентропії має система.

Крім того, зміна ентропії системи при переході від однієї макродержави до іншої може бути описана як:

деТ- це температура іПитанняє теплообмін, що обмінюється в оборотному процесі, коли система рухається між двома станами.

Другий закон термодинаміки говорить, що повна ентропія Всесвіту або ізольованої системи ніколи не зменшується. У термодинаміці ізольованою системою є система, в якій ні тепло, ні речовина не можуть входити або виходити за межі системи.

Іншими словами, в будь-якій ізольованій системі (включаючи Всесвіт) зміна ентропії завжди дорівнює нулю або позитивно. Це, по суті, означає, що випадкові процеси, як правило, призводять до більшої безладності, ніж порядку.

Важливий акцент припадає насхилятися дочастина цього опису. Випадкові процесимоглипризводять до більшого порядку, ніж до безладу, не порушуючи природних законів, але це набагато рідше.

Зрештою, зміна ентропії для Всесвіту в цілому дорівнюватиме нулю. У цей момент Всесвіт досяг теплової рівноваги з усією енергією у вигляді теплової енергії при тій же ненульовій температурі. Це часто називають тепловою смертю Всесвіту.

Більшість людей у ​​всьому світі обговорюють температуру в градусах Цельсія, тоді як деякі країни використовують шкалу Фаренгейта. Однак вчені скрізь використовують кельвіни як основну одиницю вимірювання абсолютної температури.

Ця шкала побудована на певній фізичній основі: Абсолютний нуль Кельвіна - це температура, при якій припиняється будь-який рух молекул. Так як спекаємолекулярний рух у найпростішому розумінні, відсутність руху означає відсутність тепла. Відсутність тепла означає температуру нуля Кельвіна.

Зверніть увагу, що це відрізняється від точки замерзання, як нуль градусів Цельсія - молекули льоду все ще мають невеликі внутрішні рухи, пов’язані з ними, також відомі як тепло. Фазові зміни між твердими речовинами, рідиною та газом, однак, призводять до значних змін в ентропії, як можливості для різні молекулярні організації або мікростани речовини раптово і швидко або збільшуються, або зменшуються разом із температури.

Третій закон термодинаміки говорить, що коли температура наближається до абсолютного нуля в системі, абсолютна ентропія системи наближається до постійного значення. Це було вірно в останньому прикладі, коли системою був весь Всесвіт. Це справедливо і для менших закритих систем - продовження охолодження блоку льоду до більш холодних і холодних температур уповільнить його внутрішню молекулярну молекулу рухається все більше і більше, поки вони не досягнуть найменшого невпорядкованого стану, який є фізично можливим, що можна описати за допомогою постійного значення ентропії.

Більшість обчислень ентропії мають справу з різницями ентропії між системами або станами систем. Різниця в цьому третьому законі термодинаміки полягає в тому, що він призводить до чітко визначених значень самої ентропії як значень за шкалою Кельвіна.

Щоб стати абсолютно нерухомими, молекули також повинні знаходитися у своєму найбільш стабільному, упорядкованому кристалічному розташуванні, саме тому абсолютний нуль також асоціюється з ідеальними кристалами. Така решітка атомів лише з однією мікродержавою насправді неможлива, але ці ідеальні уявлення лежать в основі третього закону термодинаміки та його наслідків.

Кристал, який не ідеально впорядкований, мав би в своєму структурі певний властивий розлад (ентропію). Оскільки ентропію можна також охарактеризувати як теплову енергію, це означає, що вона мала б певну кількість енергії у вигляді тепла - так, рішученіабсолютний нуль.

Хоча ідеальних кристалів у природі не існує, аналіз того, як змінюється ентропія в міру наближення молекулярної організації, виявляє кілька висновків:

• Чим складніша речовина - скажімо С₁₂H₂₂О₁₁ проти H₂ - чим більше ентропії воно має мати, оскільки кількість можливих мікродержав зростає зі складністю.
• Речовини з подібною молекулярною структурою мають подібні ентропії.
• Структури з меншими, менш енергійними атомами та більш спрямованими зв’язками, як водневі, маютьменшеентропія, оскільки вони мають більш жорсткі та впорядковані структури.
  

Хоча вченим ніколи не вдалося досягти абсолютного нуля в лабораторних умовах, вони постійно зближуються і зближуються. Це має сенс, оскільки третій закон пропонує обмеження значення ентропії для різних систем, до яких вони наближаються при зниженні температури.

Найголовніше, що третій закон описує важливу істину природи: будь-яка речовина при температурі, що перевищує абсолютний нуль (отже, будь-яка відома речовина) повинна мати позитивну кількість ентропії. Крім того, оскільки він визначає абсолютний нуль як контрольну точку, ми можемо кількісно визначити відносну кількість енергії будь-якої речовини при будь-якій температурі.

Це ключова відмінність від інших термодинамічних вимірювань, таких як енергія або ентальпія, для яких не існує абсолютної контрольної точки. Ці значення мають сенс лише щодо інших значень.

Складання другого та третього законів термодинаміки приводить до висновку, що з часом, коли вся енергія у Всесвіті перетворюється на тепло, вона буде досягати постійної температури. Цей стан Всесвіту, який називається тепловою рівновагою, є незмінним, але при температурівищеніж абсолютний нуль.

Третій закон також підтримує наслідки першого закону термодинаміки. Цей закон стверджує, що зміна внутрішньої енергії для системи дорівнює різниці між теплом, що додається в систему, і роботою, виконаною системою:

ДеUце енергія, Qце тепло іW- це робота, яка зазвичай вимірюється в джоулях, Btus або калоріях).

Ця формула показує, що більше тепла в системі означає, що вона матиме більше енергії. Це, в свою чергу, обов’язково означає більшу ентропію. Подумайте про ідеальний кристал за абсолютного нуля - додавання тепла вносить певний молекулярний рух, і структура вже не ідеально впорядкована; вона має певну ентропію.